脉冲激光诱导Al等离子体的光谱特性分析

李业秋，黄成敏，周航宇

(沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159)

脉冲激光诱导Al等离子体的光谱特性分析

李业秋，黄成敏，周航宇

(沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159)

利用Nd：YAG脉冲调Q激光器在空气环境下诱导击穿Al金属样品，获得不同激光能量下Al等离子体的发射光谱。对激光入射波长进行选择，分析谱线强度和脉冲宽度与能量大小之间的变化关系。结果表明：532nm激光比1064nm激光对Al金属激发效果更好，激发出的300nm和396nm两条Al等离子体光谱信号强度均与入射激光能量成线性关系。

Nd:YAG ；激光诱导等离子体光谱(LIPS)；发射光谱

激光诱导等离子体光谱技术(LIPS)具有快速实时以及非接触的特点，其在检测领域具有极好的应用前景。对等离子体辐射光谱进行分析，可得到物质成分及含量的信息[1]。当高功率脉冲激光聚焦到样品表面时，样品表面元素吸收激光能量被激发形成等离子体，当被激发的高温等离子从高能级跃迁到低能级时，发出的特征光谱包含了元素的成分特性。使用光谱仪对这一特征光谱进行采集，可推测出样品中含有的元素种类和含量大小[2-4]。LIPS方法已广泛应用于分析固体、液态、气态材料样品的物理化学特性。赵书瑞[5]等使用钕玻璃激光器诱导击穿获得Al金属等离子体,对铝合金中Al元素进行定量分析。薛思敏[6]等利用Nd∶YAG脉冲激光烧蚀Al靶产生等离子体,获得在直流电场条件下Al 等离子体的发射光谱，实验表明,直流电场对Al原子的谱线强度有显著的增强作用。Cravetchi等[7]用钛蓝宝石飞秒脉冲激光器在空气环境中激发诱导Al金属获得其等离子体发射光谱，并分析激光脉冲能量对检出限的影响。本文以Al金属为样品，应用激光诱导等离子体光谱探测技术,对Al金属特征谱线进行测定。

1 理论基础

激光诱导等离子体辐射产生的具体过程比较复杂。在等离子体形成的初期，由于光热作用等离子体开始辐射连续谱,这主要是热电子的韧致辐射引起的，随后会产生离子线和原子线的线状辐射。在等离子体演化初期韧致辐射占主导地位[8];复合辐射和韧致辐射共同产生等离子体的连续辐射;在等离子体演化后期,其连续辐射主要由韧致辐射产生。

高功率脉冲激光经透镜聚焦照射到样品上时，样品表面会吸收光子能量，表面物质发生气化，原子受热电离产生热电子。当表面物质进一步吸收激光能量时，热电子运动速度增加并获得能量从而撞击其它原子，其它原子又受电离产生新的受激电子，这样既产生了雪崩式的电离，在极短时间内产生大量的电子和离子从而形成激光诱导等离子体[9-10]。在等离子体形成过程中，原子或离子被激发到不同的能级上，当原子和离子从高能级向低能级跃迁时产生元素特征辐射谱线。

2 实验装置

激光诱导等离子体的实验装置一般由Nd:YAG脉冲激光器、聚焦光路、接收装置及光纤光谱仪三部分组成。激光器为Nd:YAG电光调Q脉冲激光器，输出激光波长为1064nm,经倍频晶体后输出波长为532nm；激光脉冲宽度为18ns，输出激光脉冲能量为50mJ。光谱仪选用Avantes高分辨率光谱仪，探测范围200～900nm，入射孔径100μm。聚焦透镜焦距100mm。实验采用的样品为固定于调整架的5052型铝合金。

在空气环境下使用脉冲激光激发诱导产生A1等离子体，当脉冲激光作用于样品表面后，在聚焦点附近迅速产生高温、高密度的等离子体，产生的等离子体辐射光谱通过光纤探测头接收。为更好的接收入射光谱信号，在光纤探头前加入耦合透镜以增加信号光的入射光通量。最后把接收到的光谱数据传输到计算机中进行数据分析。实验光路示意图如图1所示。

图1 实验光路示意图

3 实验结果与分析

Nd：YAG脉冲激光输出波长分别为1064nm和532nm，得到两种激发波长下的Al等离子体光谱图如图2、图3所示。

图2 激发波长为1064nm的Al等离子光谱

图2为在空气环境下，输入电压为680V时Nd：YAG调Q脉冲激光器(波长1064nm，脉宽为18ns)激发的Al等离子体发射光谱。图中在305nm、395nm处有明显的波峰，确定是Al等离子体的发射光谱。但光谱图中背景辐射过高，导致Al等离子体发射光谱的信背比不高，这是因为入射激光波长为1064nm，照射到样品表面时产生一定的热效应，湮没了一些Al等离子体的光谱信息。

图3为在空气环境下，电压680V时Nd：YAG调Q脉冲激光器(波长532nm，脉宽为18ns)激发的Al等离子体发射光谱。在图中可以明显的看到，位于305nm、395nm处有波峰。Al等离子体发射光谱信号信背比较好。

图3 激发波长为532nm的Al等离子光谱

通过比较1064nm和532nm两个激光波长激发的Al等离子体光谱图，可知532nm的激光比起1064nm的激光能更好地激励Al等离子体的产生。532nm激光可激励产生多条清晰的Al等离子体光谱线，且产生的等离子体光谱信号信背比较好，所以在以下的实验中使用532nm激光作为激发Al金属的激发光源。在不同输入电压的条件下，分别得到脉冲激光激发的Al等离子体发射光谱。对Al等离子体的305nm、395nm处特征波峰强度进行记录，得到相对强度与激光激励电压的数据对应关系，如图4所示。

图4 Al等离子体光谱的电压与相对强度对比图

激光激发金属样品产生的等离子体是非稳态的，其等离子体光谱特性与激光器参数以及外界环境气体等因素相关。实验通过比较1064nm和532nm两个激光波长所激发的Al等离子体光谱图，在532nm激光激发的光谱图中能观察到多条清晰的Al等离子体光谱线，短波长激光能更好地激励Al等离子体的产生。

4 结论

本文用Nd：YAG脉冲激光器在空气环境下诱导 Al样品获得等离子体发射光谱。对305nm和395nm两条主要的Al等离子体光谱信号进行比较，获得了不同激光能量下等离子体的特征发射光谱，两条特征光谱强度均与入射激光能量大小成正比关系，且395nm谱线峰强高于305nm谱线峰强，但305nm谱线相对395nm具有更好的线性度。

[1]唐晓闩，李春燕，季学韩，等.激光诱导Al等离子体发射光谱特性的实验研究[J].原子与分子物理学报，2004，21(2)：176-180.

[2]宋一中，李尊菅，朱瑞富，等.激光诱导Al等离子体吸收谱分析[J].光谱学与光谱分析，2002，22(2)：192-194.

[3]姚红兵，孟春梅，张永康，等.激光诱导产生Al等离子体发射光谱分析[J].强激光与粒子数，2011，23(8)：2111-2115.

[4]杨芳.金属 Al 脉冲激光等离子体的时间分辨光谱研究[D].兰州：西北师范大学，2011：13-20.

[5]赵书瑞,陈金忠,易晓云.激光诱导等离子体光谱技术的实验装置进展[J].光谱实验室，2009,26(4)：1046-1050.

[6]薛思敏,欧阳玉花.激光产生Al等离子体基本特性的实验研究[J]兰州交通大学学报,2012,31(4)：149-151.

[7]Cravetchi IV,Taschuk MT,Tsui YY,et al.Evaluation of femtosecond LIBS for spectrochemical microanalysis of aluminium alloys[J].Anal Bioanal Chem,2006,385(2):287-294.

[8]鲁先样，徐国伟，费腾，等.金属材料的激光诱导等离子体光谱法成分分析的实验研究[J].量子电子学报，2011,28(1)：1-5.

[9]亓洪兴，陈木旺，吕刚.基于光栅光谱仪的激光诱导等离子体光谱探测技术研究[J].激光杂志，2006，27(4)：29-30.

[10]罗文峰，激光诱导击穿光谱技术的初步研究[D].西安：中科院西安光学精密机械研究所，2011：10-25.

(责任编辑：赵丽琴)

Investigation on the Al Spectrum Characteristic of Laser-Induced Plasma

LI Yeqiu,HUANG Chengmin,ZHOU Hangyu

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

In air environment,Nd:YAG pulse Q-switched laser was induced to breakdown Al metal sample,and Al plasma emission spectrum by different laser energy was obtained.The suitable laser wavelength was determined，the change relationship between spectral line intensity and laser pulse width and energy was analyzed.The results show that the 532nm laser is better than 1064nm laser on Al metal excitation effect.The strength of two Al plasma spectrum signals of 300nm and 396nm are linear relationship with the incident laser energy.

Nd:YAG;laser induced plasma spectroscopy (LIPS);emission spectrum

2014-09-26

李业秋(1981—)，男，讲师，研究方向：激光技术与应用.

1003-1251(2015)03-0079-03

TN249

A